CN107110988A - Pet探测器定时校准 - Google Patents
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Abstract
一种诊断成像系统包括多个辐射探测器(20)，所述多个辐射探测器被配置为探测从成像区域发出的辐射事件。所述系统包括校准体模(14)，校准体模被配置为被设置于所述成像区域中实质上跨越整个视场并且生成定义响应线的辐射事件对，其中，所述校准体模是薄的，使得每条LOR沿着其长度与所述校准体模相交，所述体模的厚度小于所述LOR的长度。校准处理器(24)接收所述辐射探测器的输入并且计算针对每个探测器的与入射角不相关晶体延迟τi。所述校准处理器(24)通过组合τi和ηi来构建针对每条LOR的定时校正的第一查找表和针对每个晶体的相互作用的角深度校正的第二查找表。
Description
技术领域
本申请总体涉及医学成像。其具体结合正电子发射断层摄影(PET)探测器的校准应用，并且将具体参考其进行描述。然而，应理解到，其也适用于其他使用场景并且不一定限于前述应用。
背景技术
在具有飞行时间(TOF)功能的PET中，重建算法依赖于针对每个响应线(LOR)的精确定时校准。当前校准方法使用正电子发射点源、圆柱体源或患者数据来确定闪烁器晶体定时。然而，这些源对于PET系统的定时校准不是有利的。点源是小的并且直接符合事件计数对于许多有效LOR不可用。圆柱体源太大以致于沿着每条LOR，源被分布在大范围中。
圆柱体校准源被放置在扫描器的中心中。存在不与体模相交因此不能够直接校准的一些LOR。在这种情况下，只能间接地导出定义不相交的LOR的闪烁晶体之间的实际时间差。间接导出背后的隐含假定是要么晶体处的延迟独立于伽玛入射角，要么每个晶体处的延迟总是相同的。然而，更大的(即，更浅的)入射角可能引起归因于伽玛光子在闪烁晶体中的减小的平均相互作用深度(DOI)的额外的延迟。可见的闪烁光子比闪烁晶体中的伽玛光子行进更慢，其导致归因于由伽玛光子贯穿的晶体长度的比例的时间差。为了校准环型扫描器，来自校准源的每条LOR在两端处相同入射角处撞击晶体。因此，假定由增加的入射角引起的额外延迟是相同的。
圆柱体源中的活动被分布在沿着LOR的范围中，因此相比于活动在沿着LOR的单个斑点处集中，以相同精度确定LOR的晶体定时要求更大数目的计数。此外，符合光子遇到康普顿散射的机会随着源的体积增加。将散射光子包括在测量结果中还降低晶体定时精度。
发明内容
根据一个方面，一种诊断成像系统包括：多个辐射探测器，其被配置为探测从成像区域发出的辐射事件；以及校准体模，其被配置为实质上跨整个视场被设置于所述成像区域中并且生成定义响应线的辐射事件对，其中，所述校准体模是薄的，使得每条LOR沿着其长度唯一地与所述校准体模相交，所述体模的厚度小于所述LOR的长度。
根据另一方面，一种用于校准诊断成像系统的方法，包括：将校准体模实质上跨整个视场布置在成像区域中并且生成定义响应线的辐射事件对，其中，所述校准体模是薄的，使得每条LOR沿着其长度唯一地与所述校准体模相交，所述体模的厚度小于所述LOR的长度；并且探测从所述成像区域发出的多个辐射事件。
根据另一方面，一种诊断成像装置，包括：被布置在成像区域周围的多个辐射探测器，其被配置为探测从所述成像区域发出的辐射事件，所述探测器具有不同的定时延迟。所述系统还包括平面校准体模，所述平面校准体模被配置为被设置于所述成像区域中，所述体模包括发射相反地行进的辐射事件对的辐射源，所述辐射事件对与所述辐射探测器相互作用并且定义LOR，所述体模定义沿着每条LOR的已知位置。所述系统还包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为从所述探测器接收输出，并且根据所述探测器输出的已知位置和相对定时来确定针对所述探测器的时间校正因子，所述时间校正因子校正所述探测器之间的不同的定时延迟。
一个优点存在于更准确的定时校准。
另一优点存在于更快的校准。
另一优点存在于针对校准的降低的计数。
另一优点存在于校正每个晶体中的入射角。
本领域技术人员在阅读和理解了以下详细说明之后，将领会到本发明的更进一步的优点。
本发明可以采取各种部件和各部件的布置以及各种步骤和各步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选的实施例的目的并且不应被解释为对本发明的限制。
附图说明
图1图示了待校准的核成像系统；
图2描绘了块探测器的相互作用的深度；
图3图示了薄片源的取向；并且
图4描绘了用于校准成像系统的方法。
具体实施方式
本申请提供校准PET系统中的定时的系统和方法。所述缺点可以通过本申请来克服。本申请使用薄片源或薄片源的变型来对TOF-PET定时进行校准。源是大的平的薄片，使得要与对象相交的所有LOR在平行于中心轴(例如，在中心水平地)放置时穿过薄片源。可以对薄片源进行旋转，使得所有LOR在至少一个取向上与所述薄片源相交。使用薄片源或类似类型源用作定时校准得到大的LOR覆盖、可忽略的散射贡献，并且使沿着每条LOR的窄活动分布变化。而且，不需要间接地导出针对任何LOR的LOR定时，因为存在可用于每个有效LOR的直接符合事件计数。由于活动沿着每条LOR狭窄地分布(即，基本上在单个点处)，因而实现相同定时校准精度所需要的所探测的计数的数目低得多。
参考图1，成像系统10将被校准。校准技术校准与TOF正电子发射断层摄影(TOF-PET)相关联的飞行时间(TOF)测量结果中利用的符合定时。
符合源14被放置在PET扫描器10的成像区域16(或孔)内。下面更详细地描述了符合源14。辐射事件由闪烁器和硅光电倍增管(SiPM)或其他探测器(诸如光电倍增管(PMT))探测，或者探测器阵列20还预期雪崩光电二极管(APD)等。校准处理器24对PET扫描器的探测器的相对定时进行校准。下面更详细地描述了校准。
每个所探测的伽玛光子事件由时钟30进行时间戳记。在数字PET系统中，每个事件通常被时间戳记在支持APD的电路上。符合对探测器34比较所探测的事件的时间戳以确定定义端点和/或例如在预选择的符合时间窗内发生的事件对。
参考图2并且继续参考图1，医学成像系统10包括辐射探测器20的环(包括晶体2(例如，几千个)光探测器4(例如，几百个、几千个)和支持电路模块6(例如，几十个))，其被布置在成像区域16周围以探测从成像区域16内发射的辐射事件(例如，伽马射线)。如所描绘的，多个探测器20可以被布置在多个模块22中，其中的每一个发送指示每个事件的至少能量和时间的数字信号。扫描器10还包括用于将患者或成像对象定位在成像区域16中的支持机构70。在一些实例中，支持机构70在一般横向于辐射探测器20的轴向上线性地可移动以促进采集三维成像数据。
在准备利用扫描器10进行成像时，适合的放射药剂被给予到将被扫描的对象，并且对象被定位在成像区域16内。放射药剂经历放射性衰变，其造成正电子的发射。每个正电子与一个或多个附近的电子相互作用并且湮灭，其产生各自具有大约511kev的两个反向的(180度)伽玛射线。两个反向的伽玛射线可以基本上同时(即，符合地)撞击相反的探测器。
对探测器34识别属于对应的电子-正电子湮灭事件的基本上同时或符合伽玛射线探测对。该处理可以包括例如能量窗口(例如，丢弃关于511keV布置的所选择的能量窗之外的辐射探测事件)和符合探测电路(例如，丢弃在时间上彼此分离开大于所选择的时间窗的辐射探测事件对)。
一旦识别事件对，响应线(LOR)处理器72处理针对每对事件的空间信息以识别连接两个伽玛射线探测的空间LOR。由于由正电子-电子湮灭事件所发射的两个伽玛射线相反地在空间上定向，因而已知电子-正电子湮灭事件已经发生在LOR上的某个地方。在TOF-PET中，探测器4和时钟30的时间戳具有足够高的时间分辨率来探测两个基本上同时的伽玛射线探测之间的飞行时间(TOF)差。TOF处理器74分析符合对的每个事件的时间之间的时间差以沿着LOR定位正电子-电子湮灭事件。时间偏移或校正存储器76存储针对探测定义每条LOR的事件的探测器的响应时间中的时间差的校正。存储器76由如由其端节点所定义的LOR寻址以移动对飞行时间处理器74的时间校正以补偿两个探测器的响应时间中的相对差。
重建引擎78将LOR重建为图像，所述图像被存储在存储装置或存储器80中的，并且可以被显示、打印、归档、制成胶片、处理、传送到另一设备、显示在监视器82上等。放射科医师或其他适合的临床医师可以使用原始数据和/或经重建的图像来控制TOF-PET扫描器10、诊断对象等。
将理解到，可以由一个或多个处理部件来执行上文所描述的处理以及其他处理。因此，可以通过单个处理部件、个体处理部件、处理部件的不同的组合、和/或以上的组合来处理本文所描述的处理。
为了校准核扫描器10特别是确定要存储在时间校准存储器中的时间校正，体模被放置在扫描器10中并且方便地水平地取向。薄片源14被放置在近似扫描器的中心处并且近似地水平的。通过扫描器12以列表模式采集记录若干符合事件。每个符合事件包括哪两个晶体探测到符合事件和两个晶体之间的时间差。在另一实施例中，当使用非平面源时，使用针对每条LOR的事件时间直方图，使得LOR可以与体模相交两次或两次以上，沿着LOR直方图将存在超过一个峰。
参考图3，在一个实施例中，在记录了当前数目的事件之后，薄片源14被旋转到另一取向15(例如，一般地垂直地)，并且执行后续列表模式采集。在一个实施例中，至少两个几乎垂直的取向被用于确保所有LOR至少在一个取向上穿过薄片源14。在一个实施例中，使用平坦的薄片源，但是还预期了源14的其他形状。
其他实施例预期不同的形状的源，例如薄圆柱体壳体和旋转线源。如果壳体的半径大于横向FOV，则该类型的体模使用单个采集。在该实施例中，存在体模与每条LOR的两个相交点。
在另一实施例中，使用由三个或四个平面源组成的壳体形状。在该实施例中，后续采集，其中，将体模旋转大约60度，来捕获不与体模相交的LOR以与体模相交。
在一个实施例中，源14具有相对大的面积和相对小的体积。源14的大面积覆盖整个或基本上整个视场(FOV)，其造成在单次测量中通过源的更多LOR。源的小体积(特别是薄层)限制沿着每条LOR的窄范围内的活动，使得所需要的计数与跨越宽范围的更大的体积源相比较被降低。大约70cm×70cm×1.5mm厚的薄片源14是大面积且小体积的范例。薄体积引起针对伽玛光子的较少的散射。在另一实施例中，从点源的阵列构建薄片源14。在另一实施例中，源相对于闪烁晶体的宽度是薄的。
校准处理器24要么根据薄片源14的非飞行时间(非TOF)正弦图要么通过其他手段来确定源14的位置和取向。在一个实施例中，使用体模保持器，使得位置和取向是已经已知的。在确定了薄片源的位置和取向之后，校准处理器24确定事件LOR与源14的平面相交的点。相交点是符合伽玛光子起源处。校准处理器24计算每个伽玛光子到达探测器晶体所需要的时间。确针对定LORij的期望时间差Eij，其中，i和j是针对LOR的晶体指数。如果针对每条LOR的计数是足够高的，Eij与之间的差是针对LORij的定时校准，其中，是属于LOR的所有事件的平均测量时间差。
通常地，现代3D PET扫描器可以具有大约几亿个有效LOR，其中每条LOR具有大约几千个计数为达到百分之几的定时精度水平得到大约万亿计数。如果使用体积源，则所要求的计数归因于LOR中的源的较宽的分布的而高出一个级别。因此，采集针对所有LOR的足够的计数以到达期望的定时精度是耗费时间的。然而，如果探测器晶体的定时不随着伽玛入射角变化，那么校准处理器24在在对最小均方误差最小化的迭代过程中计算晶体延迟以解决计数缺陷。
对于属于LORij的测量符合事件而言，其中，i和j是晶体指数，在没有晶体延迟的情况下的期望时间差是Eij。为将分别在晶体i和j处的τi和τj的晶体延迟因子化，校准处理器24使用(Eij-τi+τj)计算针对事件的期望测量时间差。所有事件的均方误差的和是：
Q关于τi的偏导数是
其中，所述和包括与晶体i有关的事件。求解特定LORij，得到
其中，nij是LORij中的事件的数目。使用该等式，针对所有事件的最小均方差是
针对晶体i的晶体延迟τi求解等式以得到
不能解析地确定τi的确切知识。然而，校准处理器24将针对τi计算迭代过程：
其中，α是(0,1]中的阻尼因子以控制收敛速度。然而，每个晶体处的晶体延迟不是常量；其取决于伽玛入射角。针对事件的期望测量时间差变为(Eij-τi-ηi(φij)+τj+ηj(φji))，其中，φij是LORij的晶体i的伽玛入射角，并且ηi是晶体i的与入射角相关的定时调节，并且ηi(0)＝0。与入射角相关的因子ηi独立于晶体延迟τi并且不针对系统的相同模型在不同系统之间变化。使用工作台上测量结果或蒙特卡洛模拟来确定和保存与入射角相关的因子。在一个实施例中，使用对称性，使得所存储的ηi的数目被降低。
知道每个晶体的ηi，校准处理器24调节属于LORij的每个事件的期望时间差将是Ei'j＝(Eij-ηi(φij)+ηj(φji))。通过用Ei'j替代等式(6)中的Eij找到与入射角不相关延迟τi。在列表模式TOF重建期间，τi和ηi被组合以为晶体i提供定时校正系数。
当使用薄片源14时，与晶体i相关联的LOR的数目是大的。例如，大于晶体的四分之一可以与单个晶体建立有效LOR。所要求的计数的总数降低几乎三个级别或来自薄片源的采集的十亿总计符合计数的量级。如果6个取向被用于采集，那么每个需要大约1.6亿个计数。大约一半计数来自具有通过薄片源的太浅的入射角的LOR，其意味着针对6个取向大约3亿个计数每取向的采集是足够的。校准处理器24构建每条LOR的所计算的定时校准的查找表。校准处理器24构建所计算的针对每个晶体的入射角校正的查找表。
将理解到，以上推导和方法适用于其他形状的源。例如，可以使用均匀圆柱体源，然而，所要求的总计数由于较大的体积而增加。可以使用圆柱体源；然而，其将随着圆柱体源来回移动要求多个采集。另一范例将使用点源，其中，点源是圆柱体源的较小的版本。
另一范例变型是组合两个薄片源以形成交叉结构。在另一实施例中，三个薄片源形成导致要么一个要么两个LOR-到-源平面相交点的三角形。根据在每个事件中的所测量的时间差，校准处理器24可以确定事件可能从哪个板发起。使用这样的种类的源降低每定时校准采集的数目。在另一实施例中，组合薄片源使用圆柱体或点源。
参考图5，描绘了用于校准成像系统的方法500。在步骤502处，在成像系统的成像区域中对薄片源进行取向。在步骤504处，薄片源的第一列表模式采集被执行以接收针对晶体对的LOR数据。在步骤506处，薄片源从第一取向被旋转为基本上垂直。在步骤508处，执行对旋转的薄片源的第二列表模式采集。旋转和第二列表模式采集步骤确保所有LOR穿过薄片源至少一次，要么在第一列表模式采集、第二列表模式采集要么在二者期间。在步骤510处，首先计算源的取向和位置。该计算被用于确定薄片源上的伽玛光子的相交点。在步骤512处，使用上文所描述的推导来计算与入射角不相关延迟。在步骤514处，针对每条LOR的定时校正和探测器中的每个晶体的角相互作用深度校正来构建查找表。
伽玛光子基本上以真空中的光速穿过对象、对象周围的空气和闪烁晶体。在伽玛光子与闪烁体相互作用时，其被转换为光(即，闪烁)。光以显著地更慢的速度穿过晶体。因此，湮灭事件与来自探测器的输出之间的时间随着伽玛光子与晶体之间的相互作用的深度而变化。伽玛光子与晶体相互作用的点是概率的。在校准期间，相互作用的深度vs.相互作用的数目的曲线是高斯。校准可以确定每个探测器或每对探测器的时间偏移或校正以对齐高斯的峰。
在一个实施例中，确定针对每个可能的LOR的定时校正或偏移。其是针对定义每条LOR的探测器对的单个定时校正。
在另一实施例中，基于一般地垂直于晶体表面撞击晶体的伽玛光子，针对每个探测器确定定时校正或偏移。参考图2，以钝角撞击晶体的伽玛光子40由几何形状约束以与晶体的上(入口表面)端相互作用和闪烁42。即，相互作用高斯函数将在入口表面达到峰值。基本上垂直于表面进入的高斯光子44可以与晶体中的任何深度相互作用和闪烁46。在之间的角处进入的伽玛光子的相互作用深度被约束为更大或更小的程度。确定探测器上的LOR之间的角的第二几何校正系数。如在图3中可以看到，探测器模块是对称的，因为仅可以存储有限数目的几何校正系数。在成像期间，在确定LOR时，确定定义其端点和晶体表面与LOR之间的角的闪烁器。端点晶体的定时校正和基于入射角的几何定时校正从存储器76被检索并且被提供到TOF处理器74。
如本文所使用的，存储器包括存储数据的任何设备或系统，诸如随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)。而且，如本文所使用的，处理器包括处理输入设备以产生输出数据的任何设备或系统，诸如微处理器、微控制器、图形处理单元(GPU)、专用集成电路(ASIC)、FPGA等；控制器包括控制另一设备或系统的任何设备或系统；用户输入设备包括允许用户输入设备的技术人员将输入提供给另一设备或系统的任何设备，诸如鼠标或键盘；并且显示设备包括用于显示数据的任何设备，诸如液晶显示器(LCD)或发光二极管(LED)显示器。
已参考优选的实施例描述了本发明。他人在阅读并且理解前述详细说明之后可以进行修改和变型。目的是，本发明被理解为包括所有这样的修改和变型，只要其落入权利要求或其等价方案的范围之内。
Claims (20)
1.一种诊断成像系统，包括：
多个辐射探测器(20)，其被配置为探测从成像区域发出的辐射事件；以及
校准体模(14)，其被配置为实质上跨整个视场被设置在所述成像区域中并且生成定义响应线(LOR)的辐射事件对，其中，所述校准体模(14)是薄的，使得每条LOR沿着其长度与所述校准体模(14)相交。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述校准体模(14)被确定大小和取向为使在第一列表模式采集期间穿过所述校准体模的LOR的数目最大化。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的系统，其中，所述校准体模(14)是平面的并且被配置为在校准期间以偏移取向被设置在所述成像区域中。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，包括：
校准处理器(24)，其被配置为从所述辐射探测器接收输入并且计算针对每个探测器的与入射角不相关晶体延迟τi,。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述校准处理器(24)被配置为确定所述视场中的所述校准体模(14)的取向和位置以及所述体模与每条LOR的至少一个交点。
6.根据权利要求4或5中的任一项所述的系统，其中，所述校准处理器(24)还被配置为计算实际探测时间与期望探测时间之间的差。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述校准处理器(24)还被配置为使用来迭代地计算晶体延迟，其中，i和j是晶体指数，α是阻尼因子，E是期望的时间差，M是平均测量时间差，n是事件的数目。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述校准处理器(24)还被配置为利用E′替代E到所述迭代计算中，使得E′ij＝(Eij-ηi(φij)+ηj(φji))，其中，φij是到晶体i的伽玛入射角并且ηi是针对晶体i的与入射角相关的定时调节。
9.根据权利要求4-8中的任一项所述的系统，其中，所述校准处理器(24)还被配置为通过组合τi和ηi来构建针对每条LOR的定时校正的第一查找表和针对每个晶体的相互作用的角深度校正的第二查找表。
10.一种用于校准诊断成像系统的方法，包括：
将校准体模(14)实质上跨越整个视场设置于成像区域中并且生成定义响应线(LOR)的辐射事件对，其中，所述校准体模(14)是薄的，使得每条LOR沿着其长度与所述校准体模(14)相交；并且
探测从所述成像区域发出的多个辐射事件。
11.根据权利要求10所述的方法，包括：
采集第一列表模式采集，其中，所述校准体模(14)被确定大小和取向为使在所述第一列表模式采集期间穿过所述校准体模的LOR的数目最大化。
12.根据权利要求10-11中的任一项所述的方法，包括：
在校准期间在所述成像区域中以实质上90度偏移取向设置所述校准体模(14)，其中，所述体模(14)是平面的。
13.根据权利要求10-12中的任一项所述的方法，包括：
接收所述辐射探测器的输入；并且
基于接收到的所述输入，计算与入射角不相关晶体延迟τi。
14.根据权利要求10-13中的任一项所述的方法，包括：
确定所述视场中的所述校准体模(14)的取向和位置以及所述体模(14)与每条LOR的至少一个交点。
15.根据要求要求10-14中的任一项所述的方法，包括：
计算实际探测时间与期望探测时间之间的差。
16.根据权利要求10-15中的任一项所述的方法，包括：
使用来迭代地计算晶体延迟，其中i和j是晶体指数，α是阻尼因数，E是期望的时间差，M是平均测量时间差，n是事件的数目。
17.根据要求16所述的方法，包括：
利用E′替代E到所述迭代计算中，使得E′ij＝(Eij-ηi(φij)+ηj(φji))，其中，φij是晶体i的伽玛入射角并且ηi是针对晶体i的与入射角相关的定时调节。
18.根据权利要求10-17中的任一项所述的方法，包括：
通过组合τi和ηi来构建针对每条LOR的定时校正的第一查找表；并且
构建针对每个晶体的相互作用的角深度校正的第二查找表。
19.一种诊断成像装置，包括：
多个辐射探测器(20)，其被设置在成像区域周围，被配置为探测从所述成像区域发出的辐射事件，所述探测器具有不同的定时延迟；以及
校准体模(14)，其被配置为被设置在所述成像区域中，所述体模包括辐射源，所述辐射源发射相反地行进的辐射事件的对，所述辐射事件的对与所述辐射探测器相互作用并且定义LOR，所述体模处于沿着每条LOR的已知位置；
一个或多个处理器，其被配置为从所述探测器接收输出，并且根据所述探测器输出的已知位置和相对时间来确定针对所述探测器的时间校正因子，所述时间校正因子校正所述探测器之间的不同的定时延迟。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述校准处理器(24)使用对与入射角不相关晶体延迟τi的迭代计算来构建针对每条LOR的时间校正因子的第一查找表和针对每个晶体的迭代校正的与入射角相关的深度的第二查找表，并且还包括重建处理器，其被配置为使用所述查找表来校正所述探测器输出的相对时间，根据所述LOR利用基于所述探测器输出的所述相对时间的沿着每条LOR的位置来重建图像。
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